摘  要  高輻射覆層技術已在國內外70余家鋼鐵企業520余座高爐熱風爐和焦爐上應用，獲得了顯著的節能效果；已獲得國內外發明專利10項，形成了完整的知識產權保護體系；制修訂相關國家標準、行業標準14項，形成了覆蓋高輻射覆層技術、產品生產、技術應用、效果檢測等各環節的全方位標準化體系；按國家標準測定的蓄熱量已成為高輻射覆層技術應用的考核指標。

關鍵詞  高輻射覆層技術  節能涂料  專利  標準  蓄熱量

The Applied Research and Progress of High Radiative Coating Technology 

TIAN Feng-jun,  SUN Chuan-sheng,  LIU Chang-fu,  ZHANG Shao-qiang,  YANG Xiu-qing,  WU Kang-kang 

(Shandong Huimin Science & Technology Co., Ltd.,  Technical Centre,  Jinan)

Abstract: High Radiative Coating Technology has been applied on over 520 BF hot stoves and coke ovens in more than 70 iron and steel enterprises, obtained obvious energy saving effect; HRC have already won 10 invention patents home and abroad, and formed a complete system of intellectual property rights protection. Drawing 14 items of related national standards and industry standards, we formed comprehensive standardization system, which covered HRC tech, production, application, inspection etc. Heat storage capacity inspection according to the national standard has became the evaluation index of HRC applied.

Key Words: High radiative technology; Energy saving coating; Patent; Standard; Heat storage capacity

高輻射覆層技術是山東慧敏科技開發有限公司自主研發擁有知識產權的專利技術，強化爐窯蓄熱體輻射傳熱，提高其熱效率。該技術通過在蓄熱體表面涂覆一層具有高發射率的高溫紅外節能涂料，強化蓄熱體的熱交換能力，使蓄熱體在燃燒期吸熱速度提高和蓄熱量增加，在送風期放出更多的熱量。同時，高溫紅外節能涂料可改善耐材的理化性能，降低熱震和熱應力對耐材的損傷，從而延長其使用壽命。

傳熱有三種模式：對流、輻射和傳導。高溫下，熱量傳遞以輻射為主。熱風爐和焦爐加熱溫度可高達1300℃，此溫度條件下的輻射傳熱量占總傳熱量的85%以上。因此，提高輻射換熱效率可有效提高熱風爐和焦爐的熱效率，對于降低鐵前系統能耗具有重要意義。

現代熱風爐采用小格孔型磚，對燃燒期高溫區輻射傳熱不利。高輻射覆層技術通過在格子磚表面涂覆一層具有高發射率的高溫紅外節能涂料，可增加蓄熱量，提高高溫區格子磚的輻射換熱能力，縮小t拱與t風的溫差20℃以上，提高熱風爐的本體熱效率。

1  高輻射覆層技術原理

根據斯蒂芬-玻爾茲曼熱力學定律： ，輻射能E與物質的黑度（發射率）ε0以及溫度T的4次方成正比。在相同溫度條件下，物質的黑度ε0決定著輻射能E的大小，所以提高物質的黑度ε0對于提高輻射換熱效率具有重要意義。而物體的黑度是由其材料表面決定的。所以，耐材表面發射率是決定輻射傳熱效率的核心因素。 

高輻射覆層技術通過在耐材基體表面涂覆一層高發射率的材料，形成厚度約0.3mm的均勻覆層，提高基體表面發射率。根據基爾霍夫定律，材料的吸收率（又稱黑度）與發射率相等。當基體表面的發射率提高后，它吸收熱量的能力也相應提高。所以，高輻射覆層技術顯著提高了耐材基體的熱吸收和輻射能力。

高輻射覆層技術應用于高爐熱風爐，可強化其輻射換熱，提高格子磚蓄熱能力，使格子磚在燃燒期吸熱速度和吸熱量增加，在送風期放出更多的熱量。

2  國內外應用方面取得新進展

自2005年應用以來，高輻射覆層技術已在國內寶鋼湛江、首鋼京唐、鞍鋼等70余家鋼鐵企業和國外ArcelorMittal的兩家鋼鐵公司、浦項制鐵公司的520余座高爐熱風爐和焦爐上應用。應用高輻射覆層技術，熱風爐可提高蓄熱量10％以上，同等條件下或降低煤氣消耗5%以上，或延長送風時間5%以上，或提高風溫10℃以上，核算噸鐵效益3元左右；焦爐降低煤氣消耗3%以上，同時減少漏氣率，縮短結焦時間，提高焦炭質量。

2.1  寶鋼湛江鋼鐵公司2號5050m3高爐熱風爐應用

2015年9月，寶鋼湛江2號5050m3高爐4座熱風爐應用了高輻射覆層技術，經過兩次對比檢測，單位風量的煤氣消耗量分別降低5.32%和5.90%，廢氣溫度降低7.23℃，年節約標煤14090.37噸。

2.2  韓國浦項制鐵公司3號5600m3高爐熱風爐應用

浦項制鐵公司3號高爐檢修，高爐容積由4350m3增至5600m3，熱風爐相應增加風量，這就要求熱風爐必須擁有足夠的蓄熱能力，增加輸出熱量，從而保證為高爐提供平穩的高風溫。浦項制鐵決定在3號高爐4座熱風爐上采用高輻射覆層技術，以解決熱風爐蓄熱面積不足的難題。2016年6月3日，3號高爐4座熱風爐涂覆施工圓滿結束，并順利通過了竣工驗收?，F場驗收進行蓄熱量測試，有覆層試樣比無覆層試樣蓄熱量平均提高16.01%。這是繼ArcelorMittal加拿大DOFASCO項目和波蘭SA克拉科夫項目之后，高輻射覆層技術在國際市場推廣應用的又一個里程碑。

2.3  山鋼日照精品基地5100m3高爐熱風爐應用

2017年山鋼日照精品基地新建2座5100m3高爐8座熱風爐應用高輻射覆層技術，蓄熱量測試提高14.08%，已完成1座高爐4座熱風爐的施工。

2.4  首鋼曹妃甸2號5500m3高爐熱風爐應用

2009年，首鋼京唐曹妃甸2號5500m3高爐熱風爐應用高輻射覆層技術。2010年通過熱平衡診斷測定，2號高爐熱風爐節約煤氣7%；2014年~2015年的生產運行數據顯示，2號高爐熱風爐節約煤氣量達7.45%。

2.5  沙鋼5800m3高爐熱風爐應用

2009年沙鋼5800m3高爐熱風爐應用高輻射覆層技術，蓄熱量提高13.35%。之后沙鋼兩座1080m3高爐6座熱風爐和2500m3高爐新增的熱風爐都采用了高輻射覆層技術。

2.6  馬鋼4號3200m3高爐2#熱風爐應用

2016年3月馬鋼4號3200m3高爐2#熱風爐應用了高輻射覆層技術，2016年9月4號高爐投產運行。采集2017年5月、6月生產運行數據，2#熱風爐混前風溫平均提高11.69℃。

2.7  武鋼8號4000m3高爐2#熱風爐應用

武鋼8號高爐2#熱風爐應用了高輻射覆層技術，于2017年5月底投產。2017年6月采集運行數據，2#熱風爐平均風溫提高8.26℃，同時送風時間延長了3.57%。

2.8  鞍鋼新5號高爐熱風爐和新10號高爐熱風爐應用

2008年新5號2580m3高爐熱風爐應用了高輻射覆層技術，對比了2011年-2014年的4年的運行數據，風溫平均提高33℃且運行穩定。2012年新10號高爐熱風爐再次采用高輻射覆層技術，對比檢測結果顯示，風溫提高14.3℃。

2.9  攀鋼西鋼釩3號 1750m3高爐熱風爐應用

2011年攀鋼西鋼釩3號1750m3高爐熱風爐應用了高輻射覆層技術，平均風溫提高14.4℃。

2.10  石橫特鋼1080m3高爐熱風爐應用

2007年，石橫特鋼1080m3高爐熱風爐應用了高輻射覆層技術，分別于2008年和2014年進行了節能診斷，平均風溫提高20℃以上，廢氣溫度降低15℃，運行6年時間，節能效果穩定不衰減。

2.11  石鋼高爐熱風爐應用

石鋼于2010年在1080m3高爐1號和2號熱風爐應用了高輻射覆層技術。2016年10月份對高爐系統運行數據進行了采集分析，1號和2號熱風爐單位體積送風量所耗煤氣量分別減少5.08%和5.47%；同時熱風溫度分別提高13℃和11℃。

2.12  濟鋼1750m3高爐熱風爐應用

2005年濟鋼2號1750m3高爐熱風爐應用高輻射覆層技術，跟蹤檢測十年，始終保持著蓄熱能力增強，蓄放熱速度加快的狀態。

2.13  日鋼高爐熱風爐應用

2010年日鋼5號高爐球式熱風爐應用了高輻射覆層技術，達到了節約煤氣量6.91%的效果，隨后在全廠64座高爐熱風爐全部采用，實現年節能效益6000萬元以上。同時高輻射覆層可以改善蓄熱球的物理力學性能，延緩渣化，平均延長蓄熱體的使用壽命一年。

3  形成完整的知識產權保護體系

目前高輻射覆層技術已獲得國家發明專利8項，俄羅斯專利1項，日本專利1項，形成了完整的知識產權保護體系，包括覆層蓄熱體結構創新、覆層材料制備工藝創新、涂覆施工工藝創新、傳熱理論創新等一系列的研發成果。

發明專利《帶覆層的熱交換器》（ZL 2005 1 0043838.X）權利要求：在蓄熱體表面的一面或多面涂有一層高輻射材料覆層，所述高輻射材料的發射率高于蓄熱體基體材料的發射率。

發明專利《一種提高焦爐燃燒室傳熱效率的方法》（ZL 2009 1 0014936.9）權利要求：在燃燒室立火道內壁涂覆高發射率材料覆層，所述高輻射材料的發射率高于立火道內壁基體耐火材料的發射率。

4  形成全方位的標準化體系

為深入貫徹實施標準化戰略，圍繞高輻射覆層技術，由中國鋼鐵工業協會提出，山東慧敏科技公司會同冶金標準研究院、鞍鋼技術中心、首鋼技術中心等單位制修訂的10項國家標準和4項冶金行業標準已經國家標準委、國家質檢總局和工信部批準發布實施，形成了覆蓋技術產品生產、應用和效果檢測等各環節的全方位標準化體系。

GB/T 33785-2017《高輻射覆層節能技術規范》于2017年5月31日發布。該標準統一和規范了高輻射覆層技術的作用原理、技術要求、節能指標、效果評價等內容。該標準明確提出了在不同工業爐窯應用高輻射覆層節能技術的節能指標：高爐熱風爐可節能4.5%以上，焦爐可節能2.5%以上，軋鋼加熱爐、石化管式加熱爐、電力熱力行業鍋爐可節能2.0%以上。

《高爐用高風溫頂燃式熱風爐節能技術規范》、《軋鋼加熱爐節能運行技術要求》、《軋鋼加熱爐節能設計技術規范》等應用標準，都明確規定了對于爐窯蓄熱體應用高輻射覆層技術，以達到爐窯節能的技術要求。

國家標準《高輻射覆層蓄熱量的測定與計算方法》作為其節能效果的檢測標準，統一和規范高輻射覆層技術對于耐材基體蓄熱量改進效果的測試方法，在試驗室內即可對其應用的節能效果進行判定，對于規范市場、引導技術進步，推動技術成果的轉化具有重要意義。

5  國家標準《高輻射覆層蓄熱量的測定與計算方法》成為重要的考核指標

高輻射覆層技術是強化工業爐窯輻射傳熱的節能新技術，對其功效的判定有熱平衡對比測試、工業數據對比和蓄熱量測定幾種方法。前兩種方法因必須有未應用該技術的相同爐況的爐窯作為對比對象，不容易實現。尤其對于高爐熱風爐系統，出于對比的目的，有的熱風爐應用高輻射覆層技術，有的未應用，會造成操作不協調，產生“短板”現象，為生產帶來不必要的麻煩和損失。

蓄熱量測定的方法解決了這一問題。蓄熱量是定義蓄熱體工作狀況好壞的主要指標。高輻射覆層技術將具有高發射率的覆層材料涂覆于蓄熱體表面，強化輻射傳熱，提高其蓄放熱能力。經多年工業應用數據和實驗室數據驗證，高輻射覆層蓄熱量測定與爐窯節能存在明顯的對應關系：蓄熱體蓄熱能力提高率達到10%以上時，高爐熱風爐和焦爐節能分別達到5%和3%以上。

國家標準《高輻射覆層蓄熱量的測定與計算方法》規定了高輻射覆層技術對于耐材基體蓄熱量改進效果的測試方法。按本方法測量的蓄熱量提高率成為鋼鐵企業簽訂高輻射覆層技術應用項目合同時的考核指標。

5.1  方法原理

將同一批次涂高輻射覆層與未涂高輻射覆層的兩塊相同材質、相同形狀、相同尺寸的蓄熱體試樣，在同等條件下加熱，再利用量熱器測量和計算兩個試樣的蓄熱量，進一步得出有覆層試樣比無覆層試樣蓄熱量提高的百分比。

由于不同蓄熱體、不同廠家生產的相同材質蓄熱體比熱容值不盡相同，考慮到計算的易操作性，以水的吸熱量來代替蓄熱體試樣的吸熱量。

5.2  試驗方法

（1）用量杯或量筒分別量出1200mL水加入兩個量熱器內。兩個量熱器應置于同一環境中，測出水的初始溫度tc；

（2）在試驗用高溫爐升溫前先標定試樣放置位置，試樣放置位置相隔不小于100mm，應與爐后壁平行，左右對稱，并做好標記；

（3）將高溫爐的爐溫升至1200℃，恒溫15min；

（4）將一對比組的試樣A（有覆層試樣）和試樣B（無覆層試樣）按標記同時放入高溫爐內，關閉好爐門后，秒表開始計時，加熱時間為180s；

（5）加熱180s后，將2個試樣同時取出，并快速分別浸沒于盛水的量熱器中。每隔60s分別記錄一次量熱器內水的溫度，直到同一個量熱器三次記錄的水溫相同（溫差絕對值不大于0.5℃）時，本次實驗結束。

（6）試驗分兩次進行。兩次試驗過程相同，在第二次試驗時兩個試樣在高溫爐中的擺放位置與第一次試驗位置調換。

5.3  蓄熱量提高效果統計

6  結語

高輻射覆層技術在越來越多的鋼鐵企業的高爐熱風爐和焦爐上得到應用，取得了顯著的節能效果。高輻射覆層技術利用高吸收高輻射的技術優勢，提高了耐材基體的吸放熱速率，增加了熱風爐蓄熱體在燃燒期的吸熱量和送風期的放熱量，提高了其熱轉換能力，從而達到提高送風風溫、延長送風時間、或節約煤氣的效果。